控制纳米颗粒的相貌和尺寸对于实现优异的电子、光学和催化性能十分重要。尤其是在催化反应中,通过调控纳米晶体的生长过程,改变纳米粒子的表面结构效应,很大程度上决定了催化剂上活性位点的数量和种类,并进而影响催化剂的催化活性、选择性和稳定性。纳米晶体的形核是材料生长过程的第一步,形核过程的还原动力学与最终纳米颗粒的形貌关系密切。然而,在对前驱体中原子之间的相互作用未知的情况下,实现对形核动力学的调控依然具有挑战性。同时,在电镜下,由于前驱体极易于被高能电子束还原,因此通过电镜成像实现对形核过程各个阶段的直接观察亦格外困难。
利用固相法,直接还原无机的晶化前驱体过程中,离子晶体从较弱的键开始断裂并逐渐完成解离。所以,除了传统的液相合成,研究固相反应中的还原过程同样有助于提高对材料转化过程,特别是形核过程中动力学机制的常规理解。同时,脱离液相环境的影响,也更有利于实现包括原位X射线纳米衍射及原位透射电镜技术在内的高分辨率表征。
最近,美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授和上海交通大学的邬剑波研究员(共同通讯作者)等报道了一项关于原子尺度下对金属铂前驱体的表征以及从金属铂的前驱体到铂纳米颗粒形成动力学的研究。利用双球差校正透射电子显微镜原位捕获并揭示了包括分解、还原和成核在内的不同阶段的反应动力学。超高的空间和时间分辨率实现了对铂从前驱体到纳米晶体的反应动力学更好的理解。研究成果以题为“Probing the dynamics of nanoparticle formation from a precursor at atomic resolution”发布在国际著名期刊Sci. Adv.上。
综上所述,作者结合低剂量和快速成像的特点,研究了从固态K2PtCl4前驱体到Pt纳米晶体的材料转化过程。亚埃分辨率下呈现了K2PtCl4的原始原子结构,并清晰分辨出了K、Pt和Cl在内的所有原子。通过原位实验,捕获了形核过程中的三个阶段:分解为K+和[PtCl4]2-,从[PtCl4]2-向PtCl2的转化,以及二价Pt2+向Pt的还原,这些过程遵循化学能和键能的顺序同时进行,并且新形成的Pt纳米颗粒还可以反之作为催化剂继续参与到前驱体的还原过程中。该研究不仅明确揭示了原子尺度下,铂从其前驱体到纳米晶体的动态过程及其反应动力学,也为研究材料转换过程提供了新启发。结合低剂量成像手段和原位成像技术可以更深入的了解如何进一步调控固态反应的路径,以实现对纳米材料结构尺寸和形状的控制,并促进纳米材料在新能源、环境保护及纳米医学等方面的应用。
文献链接:Probing the dynamics of nanoparticle formation from a
precursor at atomic resolution(Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau9590)
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